studi kasus pengaruh feed flow rate dan suhu …

Distilat. 2019, 6 (2), 297-303

p-ISSN : 1978-8789, e-ISSN : 2714-7649 http://distilat.polinema.ac.id

Corresponding author: Jurusan Teknik Kimia Diterima: 10 Agustus 2020 Politeknik Negeri Malang Disetujui: 24 Agustus 2020 Jl. Soekarno-Hatta No.9, Malang, Indonesia © 2020 Politeknik Negeri Malang

E-mail: [email protected]

STUDI KASUS PENGARUH FEED FLOW RATE DAN SUHU

OPERASI TERHADAP PEMBENTUKAN PROPIL ASETAT

PADA REAKTOR EQUILIBRIUM CHEMCAD Miranda Amiroh Sulaiman, Christyfani Sindhuwati

Jurusan Teknik Kimia [email protected], [[email protected]]

ABSTRAK Pembentukan propil asetat didapatkan melalui reaksi esterifikasi antara propanol dengan asam asetat. Reaksi esterifikasi termasuk dalam reaksi reversible sehingga penambahan katalis atau pengguanaan ekses pada salah satu reaktan dapat menggeser reaksi ke arah produk. ChemCAD digunakan untuk membantu simulasi proses dengan menggunakan reaktor jenis ekuilibrium. Fitur sensitivity study pada ChemCAD digunakan untuk mengetahui perbandingan mol umpan yang terbaik. Variabel yang digunakan meliputi perbandingan feed flowrate dan suhu reaksi pada reaktor. Rasio mol propanol terhadap asam asetat bervariasi dari 1:1 sampai 1:9 dan suhu reaksi antara 30oC sampai 100oC dengan tekanan pada 1 atm. Hasil n-propil asetat terbaik diperoleh saat perbandingan umpan 10 kmol/jam propanol dan 10 kmol/jam asam asetat dengan suhu reaktor pada 30oC.

Kata kunci: n-Propil asetat, reaktor ekuilibrium, esterifikasi, ChemCAD

ABSTRACT The formation of propyl acetate is obtained through the esterification reaction between propanol and acetic acid. Esterification reaction is included in the reversible reaction so that the addition of a catalyst or the use of excess in one of the reactant can shift the reaction toward the product. ChemCAD is used to help the process simulations using equilibrium type reactors. The sensitivity study feature ini ChemCAD is used to find out the best mole ratio of the feed. The variables used include the ratio of feed flowrate and reaction temperature at the reactor. The mole ratio of propanol to acetic acid was varied from 1:1 to 1:9 and the reaction temperature between 30oC to 100oC with a pressure at 1 atm. The best n-propyl acetate results were obtained when the feed ratio of 10 kmol/hour propanol : 10 kmol/hour acetic acid with the reactor temperature at 30oC.

Keywords: n-Propyl acetate, equilibrium reactor, esterification, ChemCAD

1. PENDAHULUAN Reaktor merupakan alat penting pada proses kimia dimana merubah bahan

mentah menjadi produk yang layak dijual. Pada proses pembuatan propil asetat, reaktor memiliki peranan yang sangat besar untuk menentukan berapa banyak propanol dan asam asetat yang terkonversi menjadi propil asetat. Penelitian tentang propil asetat hanya sedikit yang telah dilakukan. Oleh karena itu, dengan adanya penelitian ini dapat menambah referensi tentang propil asetat. Simulasi pembuatan propil asetat menggunakan reaktor ekulibrium dengan suhu 60oC. Feed yang digunakan n-propanol (10 kmol/jam) dan asam asetat (13 kmol/jam) masing-masing pada suhu 25oC dan

Sulaiman, dkk./ Distilat Jurnal Teknologi Separasi, Vol. 6, No. 2, Agustus 2020

298

tekanan 101,3 kPa menghasilkan konversi n-propanol sebesar 60%. Laju alir asam asetat diatur berlebih untuk memastikan konversi n-pronaol yang maksimal [1].

n-Propil asetat adalah senyawa kimia yang digunakan sebagai pelarut, seperti pelarut untuk selulosa nitrat dan bahan mentah untuk kosmetik. Senyawa ini biasanya disintesis dengan reaksi esterifikasi asam asetat dan n-propanol. Jenis reaksi esterifikasi ini biasanya terbatas kesetimbangannya dan laju reaksinya dapat dipercepat dengan penambahan katalis, baik homogen atau heterogen. Katalis asam kuat merupakan katalis yang sering digunakan pada pembuatan ester [2].

Reaksi esterifikasi adalah contoh dari reaksi kesetimbangan yang terbatas. Konversi yang dihasilkan biasanya rendah karena batas yang ditentukan oleh kesetimbangan termodinamika. Ester dan air sebagai produk samping diperoleh dari reaksi ini [3]. Termasuk dalam jenis reaksi reversible, konstanta keseimbangan atau konversi dari reaksi umumnya dapat ditingkatkan dengan metode sebagai berikut: (1) menggunakan ekses pada salah satu reaktan, (2) menggunakan zat dehidrasi, (3) menghilangkan air dengan cara fisik seperti distilasi, dan (4) penambahan katalis [4].

Berikut adalah reaksi esterifikasi propanol dan asam asetat:

CH3COOH + C3H7OH → CH3COOC3H7 + H2O (1)

Reaksi esterifikasi termasuk dalam reaksi reversible, sehingga pemilihan reaktor pada ChemCAD digunakan jenis ekuilibirum. Reaktor ekuilibrium digunakan saat satu atau lebih reaksi terjadi. Reakor ekuilibrium dapat mensimulasi beberapa reaksi dalam satu waktu dengan membutuhkan data ekuilibrium atau konversi untuk setiap reaksi [5]. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh perbandingan mol rate pada feed dan suhu operasi terhadap pembentukan propil asetat. 2. METODOLOGI PENELITIAN

Studi kasus penentuan pengaruh feed flowrate dan suhu operasi terhadap pembentukan propil asetat dilakukan dengan software simulasi proses ChemCAD Penentuan feed flowrate yang optimum didapatkan melalui trial pada ChemCAD dengan mencari perbandingan antara n-propanol dan asam asetat yang dapat menghasilkan propil asetat secara optimum. Trial dilakukan dengan cara menggunakan fitur sensitivity study pada ChemCAD.

2.1. Deskripsi Proses Umpan yang digunakan adalah n-propanol dan asam asetat dengan penambahan

katalis asam sulfat untuk mempercepat reaksi. Produk yang dihasilkan dari reaksi esterifikasi ini adalah propil asetat dan air. Komponen yang dipilih pada ChemCAD adalah n-propanol, asam asetat, asam sulfat, propil asetat dan air. Model termodinamika yang digunakan pada simulasi ini adalah NRTL. Proses dirangkai seperti yang terlihat pada gambar 1. Suhu dan tekanan pada umpan adalah 25oC dan 101,3 kPa. Flowrate dari umpan pertama diatur dengan perbandingan n-propanol (10 kmol/jam) dan asam asetat (20 kmol/jam). Laju alir dari salah satu reaktan dibuat berlebih untuk memastikan konversi reaktan maksimal kearah produk. Variabel komposisi feed


299

flowrate, propanol:asam asetat dilakukan dari 1:1 sampai 1:9 dengan asam asetat sebagai reaktan yang berlebih. Reaktor yang digunakan adalah jenis ekuilibrium. Suhu reaktor divariasi dari 40oC sampai 100oC. Pada input pertama, reaktor ditetapkan pada suhu 60oC. Thermal mode menggunakan isothermal pada suhu 60oC dan specify calculation mode menggunakan Approach ∆T. Setelah semua telah diinputkan, proses dapat di run.

Gambar 1. Rangkaian proses pada simulasi ChemCAD

Fitur sensitivity study pada ChemCAD digunakan untuk mengetahui pengaruh komposisi feed flowrate terhadap pembentukan propil asetat. Variabel yang akan diamati pada simulasi ini adalah mol rate dari kedua feed yaitu, propanol dan asam asetat terhadap mol rate dan fraksi propil asetat yang terdapat pada produk. Pengaturan sensitivity study dapat dilihat pada gambar 2. Grafik dan tabel akan muncul saat run telah selesai dilakukan. Berdasarkan data dari sensitivity study dapat diketahui komposisi feed yang dapat menghasilkan propil asetat dengan maksimal. Ketika sudah mendapatkan komposisi feed, dilakukan simulasi terhadap variable suhu operasi yaitu pada suhu 30 oC, 40oC, 50 oC, 60 oC, 70 oC, 80 oC, dan 90 oC.

Gambar 2. Pengaturan fitur sensitivity study pada ChemCAD


300

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1. Pengaruh Feed Flowrate terhadap Pembentukan Propil Asetat Hasil simulasi dari simulasi proses pembentukan propil asetat dengan

menggunakan reaktor ekuilibrium dapat dilihat pada Gambar 3 dan Gambar 4. Menurut Nada [6], penggunaan excess pada salah satu reaktan dapat meningkatkan konversi dari limiting reactant. Berdasarkan Gambar 3, dapat dilihat bahwa dengan penambahan dari rasio feed flowrate , konversi propanol untuk mengahasilkan propil asetat semakin meningkat, walaupun peningkatan yang terjadi tidak terlalu signifikan. Berdasarkan Tabel 1, koversi propanol sebagai limiting reactant adalah melebihi 90%, dengan konversi tertinggi yang didapatkan pada simulasi adalah 99,96% dengan rasio mol umpan 1:10. Hal ini membuktikan bahwa propanol terkonversi secara maksimal menjadi propil asetat. Tabel 1. Konversi propanol berdasarkan hasil simulasi dari reaktor ekuilibrium

Umpan (kmol/jam) Produk (kmol/jam) Konversi Propanol (%) Propanol Asam Asetat Propanol Asam Asetat

10 10 0.9911 0.9911 90.0886 10 20 0.1169 10.1169 98.8314 10 30 0.0596 20.0596 99.4038 10 40 0.0400 30.0400 99.6003 10 50 0.0301 40.0300 99.6994 10 60 0.0241 50.0241 99.7592 10 70 0.0201 60.0201 99.7991 10 80 0.0172 70.0174 99.8277 10 90 0.0151 80.0151 99.8492 10 100 0.0134 90.0136 99.8659

Gambar 3. Pengaruh feed flowrate terhadap konversi propanol

Kelemahan dari menggunakan asam asetat sebagai excess adalah sebagian besar

dari asam asetat yang berlebih tidak bereaksi dan membutuhkan lebih banyak langkah untuk memisahkannya. Selain itu, penggunaan reaktan dalam jumlah besar juga meningkatkan biaya untuk pemisahan [3]. Berdasarkan Gambar 4. penambahan dari

90

92

94

96

98

100

0 20 40 60 80 100

Ko

nve

rsi (

%)

Asam Asetat (kmol/jam)


301

dari feed flowrate, fraksi propil asetat yang dihasilkan semakin sedikit. Hal ini karena, sisa dari asam asetat yang tidak bereaksi semakin banyak juga. Menurut Huang [2], rasio mol umpan yang sama (1:1) menyebabkan komposisi kesetimbangan propil asetat yang tertinggi. Hal ini terjadi juga pada simulasi ini, pada rasio umpan 10 kmol propanol : 10 kmol asam asetat, fraksi propil asetat yang dihasilkan adalah 0,4504. Sehingga dari simulasi ini diketahui bahwa, feed flowrate 10 kmol propanol dan 10 kmol asam asetat menghasilkan komposisi propil asetat yang maksimal, walaupun tidak mencapai konversi yang maksimal. Excess asam asetat yang banyak akan menyebabkan pemisahan yang cukup susah dan membuang-buang bahan serta menghasilkan komposisi propil asetat yang sedikit.

Tabel 2. Konversi propanol berdasarkan hasil simulasi dari reaktor ekuilibrium

Umpan (kmol/jam) Produk (kmol/jam) Fraksi Propil Asetat Propanol Asam Asetat Propil Asetat Air

10 10 9.0089 9.0089 0.4504 10 20 9.8831 9.8831 0.3294 10 30 9.9404 9.9404 0.2485 10 40 9.9600 9.9600 0.1992 10 50 9.9700 9.9700 0.1662 10 60 9.9761 9.9761 0.1425 10 70 9.9799 9.9799 0.1247 10 80 9.9826 9.9826 0.1109 10 90 9.9850 9.9850 0.0998 10 100 9.9866 9.9866 0.0908

Gambar 4. Pengaruh feed flowrate terhadap fraksi propil asetat yang dihasilkan

3.2. Pengaruh Suhu Operasi terhadap Pembentukan Propil Asetat

Proses esterifikasi bisa diklasifikasikan sebagai reaksi eksotermis dimana beberapa panas akan lepas ke lingkungan [7]. Menurut Le Chatelier, saat suhu dinaikkan pada reaksi eksotermis, posisi kesetimbangan akan bergerak untuk melawan perubahan. Itu artinya posisi keseimbangan akan bergerak sehingga suhu akan berkurang lagi. Hal ini menyebabkan, posisi kesetimbangan akan bergerak ke kiri, ke arah reaktan. Campuran kesetimbangan baru akan mengandung lebih banyak reaktan.

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0 20 40 60 80 100

Frak

si P

rop

il A

seta

t

Asam Asetat (kmol/jam)


302

Berdasarkan Tabel 2 dan Gambar 5, diketahui bahwa semakin meningkatnya suhu, propil asetat yang dihasilkan semakin berkurang. Begitu juga dengan fraksi propil asetat yang semakin kenaikan suhu fraksinya berkurang. Hal ini sesuai dengan prinsip Le Chatelier yang menyebutkan bahwa pada reaksi eksotermis, penambahan suhu akan menggeser kesetimbangan ke arah reaktan bukan produk. Penambahan suhu akan menyukai reaksi endotermis dalam reaksi esterifikasi merupakan reaksi yang sebaliknya (the reverse reaction) karena endotermis membutuhkan energi atau menyerap panas yang ditambahkan. Sehingga akan membuat reaksi menggeser kesetimbangan ke arah reaktan. Tabel 2. Konversi propanol berdasarkan hasil simulasi dari reaktor ekuilibrium

Suhu

(oC)

Propil Asetat

(kmol/jam) Fraksi Propil Asetat

30 9.1889 0.4594

40 9.1279 0.4564

50 9.0678 0.4534

60 9.0088 0.4504

70 8.9508 0.4475

80 8.8937 0.4447

90 8.8376 0.4419

100 8.7822 0.4391

Gambar 5. Pengaruh suhu reaktor terhadap fraksi propil asetat

4. KESIMPULAN

Kenaikan pada perbandingan mol menghasilkan fraksi propil asetat yang semakin sedikit dan kenaikan suhu juga menghasilkan fraksi propil asetat yang semakin sedikit. Jadi, feed flowrate yang menghasilkan komposisi propil asetat terbaik adalah pada perbandingan 10 kmol/jam propanol : 10 kmol/jam asam asetat dengan suhu operasi 30oC.

0.44

0.44

0.45

0.45

0.46

0.46

0.47

30 50 70 90 110

Frak

si P

rop

il A

seta

t

Suhu (oC)


303

REFERENSI [1] Wibowo, A.A., Lusiani, C.E., Ginting, R.R., dan Hartanto, D., 2018, Simulasi ChemCAD :

Studi Kasus Distilasi Ekstraktif pada Campuran Terner n-Propil Asetat/n-Propanol/Air, Jurnal Teknik Kimia dan Lingkungan, Vol. 2, No. 2, 75-83

[2] Huang, Y., and Sundmacher, K., 2007, Kinetics Study of Propyl Acetate Synthesis Reaction Catalyzed by Amberlyst 15, International Journal of Chemical Kinetics, Vol. 39, No. 05, 245-253.

[3] Rathod, A., Wasewar, K., and Chang, K., 2014, Enhancement of Esterification of Propionic Acid with Isopropyl Alcohol by Pervaporation Reactor, Journal of Chemistry, Vol. 2014, 1-4.

[4] Ronnback, R. dkk, 1997, Development of a Kinetic Model for The Esterification of Acetic Acid with Methanol In The Presence of Homogeneous Acid Catalyst, Chemical Engineering Science, Vol. 52, No. 19, 3369-3381

[5] Chemstation.Inc., 2006, Physical Properties Version 5.6 Users Guide, Chemstation, Houston.

[6] Nada, A., Maha, A., and Haider, A., 2010, Kinetic Study of Esterification Reaction, Al-Khwarizmi Engineering Journal, Vol. 6, No. 2, 33-42

[7] Rahman, S., Bakar, M., and Ahmad, Z., 2010, Preliminary Study of The Heat Release From Esterification Process, International Journal of Engineering & Technology IJET-IJENS, Vol. 10, No. 3, 24-27.

studi kasus pengaruh feed flow rate dan suhu …

Documents